CN114310903A - 一种基于双边遥操作的机械手控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双边遥操作的机械手控制方法及系统，涉及自动控制领域。本发明包括以下步骤：获取主端的操作指令，所述操作指令包括声音、手势；通过网络传输操作指令；校正操作指令传输过程中存在的误差；从端获取操作指令，执行操作指令，并将执行结果传输给主端。本发明可以运用在一些危险的地方，代替人手工作，大大提高了安全性；主要操控是由人来完成，灵活度也大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，更具体的说是涉及一种基于双边遥操作的机械手控制方法及系统。
背景技术
机器人的出现大大改变了我们的世界，越来越多的机器人陆续研发出来。其中，应用于工业领域的多关节、多自由度的工业机器人技术是一个国家高科技实力和发展水平的重要体现。机器手作为最重要的执行工具之一，是机器人领域的一个重要分支，传统的机械手通过末端执行器进行抓取，但是这种方式比较的单一，而且缺少灵活性，不能满足面对复杂环境和任务的抓取，所以具有多自由度、多功能的多指机械受到世界各国的广泛关注，其中仿人型机械手是受关注的热点之一。
机械手臂无疑是机器人完成各类任务的最重要执行结构，传统的机械手通过末端执行器进行抓取，但是这种方式比较的单一，而且缺少灵活性。对于一些极端的工作环境，例如高温、有毒、强酸碱等，在这些环境中进行复杂作业的时候，需要能够进行远程操作。
因此，如何实现对机械手远程操作是本领域技术人员亟需解决的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于双边遥操作的机械手控制方法及系统，使机械手代替人手进行一些操作，可以运用在一些危险的地方，代替人手工作，大大提高了安全性；主要操控是由人来完成，灵活度也大大提高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双边遥操作的机械手控制方法，包括以下步骤：
获取主端的操作指令，所述操作指令包括声音、手势；
通过网络传输操作指令；
校正操作指令传输过程中存在的误差；
从端获取操作指令，执行操作指令，并将执行结果传输给主端。
可选的，获取主端操作手势指令具体如下：
利用设备上的视觉传感器实时获取手部位置信息；利用手势识别跟踪算法追踪并记录手部运动轨迹；将手部动作轨迹转换为数字信号生成手势指令。
可选的，获取主端操作声音指令具体如下：对语音活动检测，得到语音信息；对语音信息进行增强处理，并提取有效语音，将有效语音信息与预设的语音信息数据库做对比，得到声音指令。
可选的，校正操作指令传输过程中存在的误差，具体如下：
获取基于网络通信的双边遥操作系统的结构和网络通信中存在的非对称性时变时延；
针对产生的非对称性时变时延选取李雅普诺夫函数，并通过不同的积分不等式方法对李雅普诺夫函数的导数中的积分交叉项进行处理，以降低网络通信误差。
可选的，还包括在从端选取重力项作为参数不确定项，在对控制器的设计中增加了重力估计项，以消除系统的重力项导致的系统的不确定性。
可选的，校正操作指令传输过程中的存在的误差，还包括利用中值定理将纯反馈结构的高阶非线性系统解耦为严格反馈形式，利用反步控制法对从端进行控制。
一种基于双边遥操作的机械手控制系统，包括主端控制器，从端机械手以及通信系统；
所述主端控制器通过通信系统对从端机械手下达指令；所述从端机械手通过通信系统向主端控制器反馈指令；
所述主端控制器设置有主端力反馈人机交互设备；所述主端力反馈人机交互设备用于感知主端控制信号。
可选的，还包括位置误差控制器、从端力反馈控制器以及速度位置误差控制器，所述位置误差控制器、所述从端力反馈器以及所述速度位置误差控制器均接入通信系统。
可选的，还包括实时显示模块，所述实时显示模块用于显示机械手的实时动态。
可选的，所述通信系统设置误差校正模块，用于校正误差。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于双边遥操作的机械手控制方法及系统，通过一个主端控制器来精确、灵活地感知指令，通过通信系统将手指关节动作信息传递给机械手，远程控制机械手的各种操作，在灵活控制的基础上增加了机械手对复杂环境的适应能力,能够实现机械手多自由度、多功能、多应用环境的灵活抓取功能；另外，本发明采用对时变时延的控制以降低传输能耗，通过使用从转矩反馈的方法保证系统透明性并使得双边遥操作系统同步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的双边控制示意图；
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于双边遥操作的机械手控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
获取主端的操作指令，操作指令包括声音、手势；
通过网络传输操作指令；
校正操作指令传输过程中存在的误差；
从端获取操作指令，执行操作指令，并将执行结果传输给主端。
其中，获取主端操作手势指令具体如下：
利用设备上的视觉传感器实时获取手部位置信息；利用手势识别跟踪算法追踪并记录手部运动轨迹；将手部动作轨迹转换为数字信号生成手势指令。
另外，获取主端操作手势指令还可以为：抓捕动作传感器呈手套状戴在操作工人手上，将工人手指关节动作信息指令通过无线射频传输模块远程传递给抓捕机械手，抓捕机械手接收到相应的动作指令后，驱动相应的电机运转，实现和工人手指相同的抓捕动作；同时抓捕机械手将系统本身的状态信息通过蓝牙通信协议发送到移动电话上，通过移动电话远程掌握机械手状态信息，必要时，也可以通过移动电话直接控制机械手的动作。
获取主端操作声音指令具体如下：对语音活动检测，得到语音信息；对语音信息进行增强处理，并提取有效语音，将有效语音信息与预设的语音信息数据库做对比，得到声音指令。
可选的，校正操作指令传输过程中存在的误差，具体如下：
获取基于网络通信的双边遥操作系统的结构和网络通信中存在的非对称性时变时延；
针对产生的非对称性时变时延选取李雅普诺夫函数，并通过不同的积分不等式方法对李雅普诺夫函数的导数中的积分交叉项进行处理，以降低网络通信误差。
具体的，在本实施例中考虑了系统中存在不确定动态参数情况下的遥操作系统。就系统自身而言，重力项导致的不确定性对遥操作系统影响较大，因此此处选取重力项作为参数不确定项。为了消除系统的重力项导致的系统的不确定性，在对控制器的设计中增加了重力估计项。之后，设计了系统的自适应律。在选取的系统时延下界为零的基础上构建了合适的李雅普诺夫泛函。同样，用新的积分不等式方法对其导数进行放缩，最后得出系统是有界稳定的。且其稳定性判据是以线性矩阵不等式的方式呈现。
在本实施例中，还包括在从端选取重力项作为参数不确定项，在对控制器的设计中增加了重力估计项，以消除系统的重力项导致的系统的不确定性。
其中，校正操作指令传输过程中的存在的误差，还包括利用中值定理将纯反馈结构的高阶非线性系统解耦为严格反馈形式，利用反步控制法对从端进行控制。
具体的，本实施例中研究一类纯反馈结构的高阶非线性系统的跟踪控制问题。在假设系统的非线性函数为连续性函数的前提下，利用中值定理将纯反馈结构的高阶非线性系统解耦为严格反馈形式，并在此基础上利用反步控制法对系统进行控制器的设计。在反步控制法的框架下，以径向基神经网络来近似系统中的未知项，将系统存在的不确定性非线性问题转化为径向基神经网络的参数更新问题。并以有限时间稳定理论作为对系统进行控制器设计的性能指标，提出了一种能使被控系统在有限时间内稳定的控制方案。在该控制方案的作用下，被控系统能够快速地达到稳定状态，且系统的输出信号能够以较为理想的精度去跟踪参考信号。另外，由于考虑了输入死区现象对系统性能的影响，本实施例的控制方案相较于传统控制方案更加能够满足实际控制任务的需要。
一种基于双边遥操作的机械手控制系统，如图1所示，包括主端控制器，从端机械手以及通信系统；通信系统设置误差校正模块，用于校正误差。
主端控制器通过通信系统对从端机械手下达指令；从端机械手通过通信系统向主端控制器反馈指令；
主端控制器设置有主端力反馈人机交互设备；主端力反馈人机交互设备用于感知主端控制信号。
另外，还包括位置误差控制器、从端力反馈控制器以及速度位置误差控制器，位置误差控制器、从端力反馈器以及速度位置误差控制器均接入通信系统；还包括实时显示模块，实时显示模块用于显示机械手的实时动态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取主端的操作指令，所述操作指令包括声音、手势；
通过网络传输操作指令；
校正操作指令传输过程中存在的误差；
从端获取操作指令，执行操作指令，并将执行结果传输给主端。
2.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，获取主端操作手势指令具体如下：
利用设备上的视觉传感器实时获取手部位置信息；利用手势识别跟踪算法追踪并记录手部运动轨迹；将手部动作轨迹转换为数字信号生成手势指令。
3.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，获取主端操作声音指令具体如下：对语音活动检测，得到语音信息；对语音信息进行增强处理，并提取有效语音，将有效语音信息与预设的语音信息数据库做对比，得到声音指令。
4.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，校正操作指令传输过程中存在的误差，具体如下：
获取基于网络通信的双边遥操作系统的结构和网络通信中存在的非对称性时变时延；
针对产生的非对称性时变时延选取李雅普诺夫函数，并通过不同的积分不等式方法对李雅普诺夫函数的导数中的积分交叉项进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，还包括在从端选取重力项作为参数不确定项，在对控制器的设计中增加了重力估计项。
6.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制方法，其特征在于，校正操作指令传输过程中的存在的误差，还包括利用中值定理将纯反馈结构的高阶非线性系统解耦为严格反馈形式，利用反步控制法对从端进行控制。
7.一种基于双边遥操作的机械手控制系统，其特征在于，包括主端控制器，从端机械手以及通信系统；
所述主端控制器通过通信系统对从端机械手下达指令；所述从端机械手通过通信系统向主端控制器反馈指令；
所述主端控制器设置有主端力反馈人机交互设备；所述主端力反馈人机交互设备用于感知主端控制信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制系统，其特征在于，还包括位置误差控制器、从端力反馈控制器以及速度位置误差控制器，所述位置误差控制器、所述从端力反馈器以及所述速度位置误差控制器均接入通信系统。
9.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制系统，其特征在于，还包括实时显示模块，所述实时显示模块用于显示机械手的实时动态。
10.根据权利要求1所述的一种基于双边遥操作的机械手控制系统，其特征在于，所述通信系统设置误差校正模块，用于校正误差。
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